ESP-IDF+vscode开发ESP32第三讲——UART

目录

前言

一、ESP32中UART的配置

1.1 rs485

1.2 IrDA

1.3 流控

硬件流控

软件流控

1.4 GDMA

二、代码编写

2.1 uart.c

2.2 uart.h

2.3 mian.c

2.4 重点提示

三、结果展示

前言

本文基于第一章创建好的工程，来写一个基于UART的通信工程，本章不对UART这个通讯技术本身进行讲解，在STM32篇已经涉及到了。重点在于梳理UART在ESP32上的的衍生功能

开发板芯片是ESP32-P4、ESP-IDF版本是5.5.3。

一、ESP32中UART的配置

ESP32-P4芯片中共有六个 UART 控制器，包含五个正常功能的 UART0~UART4 和一个满足低功耗需求的 LP UART。另外，UART 还可以用于红外数据交换 (IrDA) 或 RS485 调制解调器。一些基本特性如下：

注意，ESP32和STM32不一样，它的UART不是事先规定复用到哪些特殊引脚上，而是可配置使用任意 GPIO 管脚，也就是说你可以选择任何一个GPIOx引脚成为RXD或TXD引脚，当然有些特殊引脚除外。

当然，官方也事先给一些引脚配置了默认复用功能。以ESP32-P4为例，如下：

以上是常用的，实际中还有更多，这些是我们比较关注的，平时优先保证这些引脚的默认复用功能。

1.1 rs485

ESP32的UART的五个 UART 控制器支持 RS485 通讯模式，这是stm32所不具备的。RS485 有两线半双工及四线全双工两种选择，UART 模块采用两线半双工模式，也就是只要两根差分信号线，只能收或者发。控制结构图如下：

当DE被使能为1时，就使能驱动器D了，此时使用了RS485 发送模式，使用D+、D-差分信号发送数据，数据内容由TXD决定；当DE被使能为0时，就关闭驱动器D了，此时使用原本UART通讯模式，直接使用TXD发送数据。

当RE被使能为0时，就使能接收器R了，此时使用了RS485 接收模式，使用D+、D-差分信号接收数据，数据内容转化为RXD；当DE被使能为1时，就关闭接收器R了，此时使用原本UART通讯模式，直接使用RXD接收数据。

在其他的MCU中，如STM32，没有内置RS485控制器，也就是图中右半部分，此时想要使用RS485功能需要外置RS485控制器。当然ESP32也可以不使用内置的RS485控制器，改为外置的。

1.2 IrDA

IrDA 是 UART 的红外无线版，它的核心作用是让普通串口通过红外光无线通信，且上层软件完全不用改，只改硬件物理层。家里的电视 / 空调遥控器用的就是IrDA协议。

ESP32的UART的五个 UART 控制器也支持 IrDA 通讯模式，IrDA 是半双工传输协议，结构图如下

置位 UART_IRDA_EN 使能 IrDA 功能。置位 UART_IRDA_TX_EN（置 1）使能 IrDA 发送数据，这时不允许 IrDA 接收数据；复位 UART_IRDA_TX_EN（清 0） 使能 IrDA 接收数据，这时不允许 IrDA 发送数据。

1.3 流控

UART 流控是一种防止发送方发得太快、接收方缓存爆掉丢数据的控制机制，UART的流控分为硬件流控和软件流控。

硬件流控

靠 2 根额外硬件信号线实现：RTS / CTS

• CTS (Clear To Send) 输入信号，清除发送，低电平有效
• RTS (Request To Send) 输出信号，请求发送，低电平有效
• 双方CTS接RTS，RTS接CTS，交叉连接。

工作原理如下：

当接收方 RX 缓存快满会拉低 RTS，RTS输出低电平，发送方检测到CTS变低，立即停止发送；等待接收方数据处理完毕，缓存空余，拉高RTX，RTS输出高电平，发送方检测到CTS变高，立即继续发送。空闲时CTS和RTS均上拉。

硬件流控：速度快、实时性强，不干扰数据内容，稳定可靠，工业常用。

ESP32的UART硬件流控主要通过输出信号 rtsn_out 以及输入信号 ctsn_in 进行数据流控制。信号连接图如下：

软件流控

不占任何额外引脚，直接在串口数据里插入特殊控制字符：

• XOFF = 0x13→ 暂停发送
• XON = 0x11→ 恢复发送

工作原理如下：

当接收方 RX 缓存快满会主动发一个xoff，发送方检测到xoff字节，立即停止发送；等待接收方数据处理完毕，缓存空余会主动发一个xon，发送方检测到xon字节，立即继续发送。

软件流控：不占 GPIO，省引脚，但反应慢，依赖数据链路延迟，高波特率下容易丢包，且不能传二进制数据（因为如果数据里恰好有 0x11/0x13 会被误判）

1.4 GDMA

GDMA 是 ESP32 系列芯片中的通用直接内存访问控制器，核心作用是在 CPU 不参与的情况下，让外设与内存、内存与内存之间直接高速传输数据，从而减轻 CPU 负载、提升系统整体性能，尤其适合大批量数据传输场景。

ESP32-P4 中的五个 UART 接口通过通用主机控制器接口 (UHCI) 共用 1 组 GDMA TX/RX 通道。这代表了同时只能有一个uart接口使用GDMA通道。在 GDMA 模式下，支持对 HCI 协议数据包的解析 (decoder) 及数据包封装 (encoder)。数据传输图如下：

在 GDMA Rx 通道接收数据前，软件将接收链表准备好。 通用主机控制器接口 (UHCI) 会将 UART 接收到的数据传送给 decoder。经过 decoder 解析之后的数据在 GDMA 通道的控制下存入接收链表指定的 RAM 空间。

官方手册在uart章节并没有涉及到GDMA模式的使用，等后面涉及到了，在进行补充。

二、代码编写

这里只使用uart的基本模式。基于工程模板创建组件uart。添加依赖：

• REQUIRES esp_driver_uart
• REQUIRES esp_driver_gpio

驱动代码如下，我这里始终使用GPIO37和GPIO38作为uart串口，是因为我的开发板只有这个引脚接入了空闲的usb接口，当然可以使用其他引脚，不过不好接线读取。可以在0-4中任意改变uaer端口。

2.1 uart.c

#include <stdio.h> #include "uart_m.h" #include "driver/gpio.h" #include "driver/uart.h" static const char *TAG = "UART"; QueueHandle_t uart_intr_handle= NULL; void uart_intr_callback(void *arg); int uart_band_aotuset(void) { uart_bitrate_detect_config_t uart_bitrate_config = { .rx_io_num = uart_rx_pin, .source_clk = UART_SCLK_XTAL, }; ESP_ERROR_CHECK(uart_detect_bitrate_start(uart_port, &uart_bitrate_config)); vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(20)); uart_bitrate_res_t res; ESP_ERROR_CHECK(uart_detect_bitrate_stop(uart_port, true, &res)); if(res.low_period == 0 || res.high_period == 0){ ESP_LOGE(TAG, "检测失败：无有效边沿"); return ESP_FAIL; } else{ ESP_LOGI(TAG, "检测成功，波特率为：%d", res.clk_freq_hz / (res.low_period + res.high_period)); return res.clk_freq_hz / (res.low_period + res.high_period); } } void uart_init(void) { uart_config_t uart_config = { .baud_rate = 115200, .data_bits = UART_DATA_8_BITS, .parity = UART_PARITY_DISABLE, .stop_bits = UART_STOP_BITS_1, .flow_ctrl = UART_HW_FLOWCTRL_DISABLE, .source_clk = UART_SCLK_DEFAULT, }; ESP_ERROR_CHECK(uart_driver_install(uart_port, uaer_rx_buffer, uart_tx_buffer, 5, &uart_intr_handle, 0)); ESP_ERROR_CHECK(uart_param_config(uart_port, &uart_config)); ESP_ERROR_CHECK(uart_set_pin(uart_port, uart_tx_pin, uart_rx_pin, -1, -1, -1, -1)); ESP_ERROR_CHECK(uart_set_mode(uart_port, UART_MODE_UART)); ESP_LOGI(TAG, uart_is_driver_installed(uart_port)? "UART driver is installed" : "UART driver is not installed"); //中断配置 uart_intr_config_t intr_config = { .intr_enable_mask = uart_intr, .rx_timeout_thresh = 20, .rxfifo_full_thresh = 50, }; ESP_ERROR_CHECK(uart_intr_config(uart_port, &intr_config)); uart_enable_intr_mask(uart_port, uart_intr); xTaskCreate(uart_intr_callback, "uart_intr", 4096, NULL, 5, NULL); ESP_LOGI(TAG, "UART初始化成功，波特率为：%d", uart_config.baud_rate); } void uart_intr_callback(void *arg) { uart_event_t uart_event; size_t wait_read_size; int len; char read_data[100]; while(1) { xQueueReceive(uart_intr_handle, (void*)&uart_event, portMAX_DELAY); switch (uart_event.type) { case UART_DATA: if (uart_event.timeout_flag == false){ ESP_LOGI(TAG, "触发接收FIFO阈值中断, uart rx data size: %d", uart_event.size); } else{ ESP_LOGI(TAG, "触发接收超时中断, uart rx data size: %d", uart_event.size); } break; default: ESP_LOGI(TAG, "其他未知事件触发"); break; } uart_get_buffered_data_len(uart_port, &wait_read_size); len = uart_read_bytes(uart_port, read_data, wait_read_size, 1000); if(len > 0){ read_data[len] = '\0'; ESP_LOGI(TAG, "uart rx data: %s", read_data); } len = uart_write_bytes(uart_port, read_data, len); ESP_LOGI(TAG, "uart tx length: %d", len); } }

2.2 uart.h

#ifndef __UART_H_ #define __UART_H_ #include "driver/gpio.h" #include "driver/uart.h" #include "hal/uart_ll.h" // 取得uart的寄存器地址 #define uaer_rx_buffer 512 #define uart_tx_buffer 512 #define uart_port UART_NUM_4 #define uart_tx_pin GPIO_NUM_37 #define uart_rx_pin GPIO_NUM_38 #define uart_intr UART_INTR_RXFIFO_TOUT | UART_INTR_RXFIFO_FULL void uart_init(void); // 初始化uart int uart_band_aotuset(void); // 检测波特率 #endif

2.3 mian.c

#include <stdio.h> #include "user.h" #include "uart.h" #include "esp_log.h" static char* TAG = "MAIN"; void app_main(void) { CONSOLE_REPL_INIT(); // 初始化控制台REPL环境 uart_init(); while (1) { char *test_str = "This is a test string.\n"; uart_write_bytes(uart_port, test_str, strlen(test_str)); vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(3000)); } }

代码流程如上，下面会对一些重点进行提示。具体函数功能可以参考官方的编程手册和我整理的《ESP32 实用API指南》

2.4 重点提示

UART 驱动本身没有像其他组件那样有注册回调函数API，所有的中断事件都会存入队列，函数uart_driver_install的queue_size就是用来设置这个中断队列的长度，就是最大能容下几个中断源。uart_queue返回的是中断队列的句柄。

uart_intr_config与uart_enable_intr_mask需要配套使用，一个用于配置中断源，一个用于使能中断源。

需要创建一个任务专门用于处理uart数据接收和发送，任务栈建议4096起步，否则容易溢出。

声明#include "hal/uart_ll.h"能够使用中断源的宏，否则会报错。具体中断源见ESP32-P4 技术参考手册> UART 控制器 (UART) > UART 中断 [PDF]。

比较常用的中断源是UART_INTR_RXFIFO_TOUT与UART_INTR_RXFIFO_FULL，TOUL是空闲中断，一个数据包接收后产生中断；FULL是接收阈值中断，当一个包的字节数大于设定的阈值便产生中断。

在中断任务中使用队列接收函数xQueueReceive，阻塞等待中断源的到来，将接收的缓冲区指针用结构体uart_event_t接收，结构体中uart_event_type_t用来判断中断类型。其中上面说的TOUL和FULL两个中断都会归于类型UART_DATA，其他则是一个类型对应一个中断。

结构体uart_event_t中的timeout_flag用来判断类型UART_DATA具体是哪一个中断源触发的，当timeout_flag = false代表是FULL中断，timeout_flag = ture代表是TOUL中断。另外size用来判断类型UART_DATA接收到的数据大小。

函数uart_band_aotuset用来实现硬件自动波特率检测，我这里并未使用。

三、中断掩码含义

ESP32 的UART中断共有19个，为了方便使用，这里进行分类说明。系统有两个文件定义了中断标志位的宏，虽然含义相同，但是宏的命名方式有些区别。

分别是来自于系统组件《uart_reg.h》的 UART_XXXX_INT_ENA和来自于系统组件《uart_ll.h》的UART_INTR_XXXX。

我发现官方API，例如uart_disable_rx_intr使用的是《uart_ll.h》的宏，那我们这保持统一，也用文件《uart_ll.h》的宏。

1、基础收发中断

这是日常开发中最常用的中断，用于管理数据的接收和发送。

UART_INTR_RXFIFO_FULL(接收 FIFO 满中断)

• 含义：当接收 FIFO（硬件缓存）中的数据量达到或超过你设定的阈值（如 120 字节）时触发。

• 场景：用于批量读取数据。当数据积攒到一定数量后，触发中断让 CPU 一次性读走，减少中断频率，提高效率。

UART_INTR_RXFIFO_TOUT(接收 FIFO 超时中断)

• 含义：接收 FIFO 中有数据，但在设定的超时时间内没有新数据到来（且数据量没达到 FULL 阈值）时触发。

• 场景：处理不定长数据包的神器！ 比如接收一帧 JSON 或 AT 指令，你不知道对方发多长，只要对方发完了（总线空闲超时），这个中断就会触发，告诉你“一帧数据接收完毕，可以处理了”。

UART_INTR_TXFIFO_EMPTY(发送 FIFO 空中断)

• 含义：当发送 FIFO 中的数据量低于设定的阈值时触发（表示缓存快空了）。

• 场景：用于持续、大量地发送数据。当 FIFO 快空时触发中断，通知 CPU 赶紧往 FIFO 里“喂”新数据，防止发送断流。

UART_INTR_RXFIFO_OVF(接收 FIFO 溢出中断)

• 含义：接收 FIFO 已经满了，但总线上还在送数据进来，导致新数据被丢弃（溢出） 时触发。

• 场景：用于错误监控。如果频繁触发此中断，说明你的 CPU 处理数据的速度太慢，或者中断优先级不够，导致数据丢失。

2、错误检测中断

用于检测物理层或协议层的通信异常。

UART_INTR_PARITY_ERR(奇偶校验错误中断)

• 含义：接收到的数据位计算出的奇偶校验值，与帧中的校验位不匹配时触发。

• 场景：排查线路干扰或波特率不匹配问题。

UART_INTR_FRAM_ERR(帧错误中断)

• 含义：在预期的位置没有检测到停止位（本应是高电平，却检测到了低电平）时触发。

• 场景：通常意味着双方波特率严重不一致，或者总线受到了严重的电磁干扰，导致位同步丢失。

UART_INTR_GLITCH_DET(毛刺检测中断)

• 含义：在 RX 引脚上检测到了极短的脉冲（毛刺/噪声），其宽度小于设定的过滤阈值时触发。

• 场景：用于硬件降噪诊断。在工业环境中，如果总线上有高频噪声，可以通过此中断评估信号质量。

3、流控与状态中断

用于硬件或软件流控，防止接收方来不及处理数据。

UART_INTR_CTS_CHG(CTS 信号变化中断)

• 含义：CTS (Clear To Send) 引脚的电平状态发生跳变（高变低或低变高）时触发。

• 场景：硬件流控。当对方设备准备好接收数据时，拉低 CTS，触发此中断，通知本方“可以开始发送了”。

UART_INTR_SW_XON(软件流控 XON 中断)

• 含义：接收到了特定的 XON 字符（通常是0x11/DC1）时触发。

• 场景：软件流控。对方发来 XON，表示“我缓过来了，请继续发送”。

UART_INTR_SW_XOFF(软件流控 XOFF 中断)

• 含义：接收到了特定的 XOFF 字符（通常是0x13/DC3）时触发。

• 场景：软件流控。对方发来 XOFF，表示“我处理不过来了，请暂停发送”。

4、发送控制与 Break 信号中断

涉及发送完成状态以及特殊的 Break（间隔）信号。

UART_INTR_TX_DONE(发送完成中断)

• 含义：FIFO 里的数据全部发完，且移位寄存器也发完，TX 引脚恢复空闲高电平状态时触发。

• 场景：RS485 半双工通信必备！ 触发此中断意味着数据彻底发出去了，此时可以安全地将 RS485 收发器的控制引脚（DE/RE）拉低，切换为接收模式。

UART_INTR_BRK_DET(Break 间隔检测中断)

• 含义：在 RX 线上检测到了 Break 信号（持续一段时间的低电平，长于一个数据帧）时触发。

• 场景：常用于 DMX512 灯光控制协议或 LIN 总线协议，Break 信号通常用作“一帧新数据的同步头”。

UART_INTR_TX_BRK_DONE(发送 Break 完成中断)

• 含义：硬件发送完 Break 信号（持续低电平阶段结束）时触发。

UART_INTR_TX_BRK_IDLE(发送 Break 后的空闲完成中断)

• 含义：发送完 Break 信号后，总线恢复空闲状态（高电平）完成时触发。

5、RS485 专属中断

ESP32 的 UART 控制器内置了 RS485 冲突检测等硬件支持。

UART_INTR_RS485_PARITY_ERR(RS485 奇偶校验错误中断)

• 含义：在 RS485 模式下，接收到的数据奇偶校验错误。

UART_INTR_RS485_FRM_ERR(RS485 帧错误中断)

• 含义：在 RS485 模式下，接收到的数据帧格式错误。

UART_INTR_RS485_CLASH​​​​​​​(RS485 冲突检测中断)

• 含义：非常关键！ 在半双工 RS485 模式下，芯片一边发送数据，一边把 TX 线上的数据回读。如果回读的数据与发送的数据不一致，说明总线上有其他设备也在同时发送数据，发生了总线冲突（Clash）。

• 场景：用于多机通信的防碰撞机制，检测到冲突后，主设备可以随机延迟后重发。

6、特殊功能中断

UART_INTR_CMD_CHAR_DET(AT 命令字符检测中断)

• 含义：硬件在接收流中匹配到了预设的特定字符或字节序列（比如+++或特定的同步头）时触发。

• 场景：用于快速唤醒或模式切换。比如平时透传数据，一旦检测到特定的 AT 逃逸字符，立刻触发中断让系统进入命令解析模式，无需 CPU 逐字节比对。

UART_INTR_WAKEUP​​​​​​​(唤醒中断)

• 含义：当芯片处于 Light-sleep（轻度睡眠） 等低功耗模式时，UART 接收到指定数量的数据边沿，将芯片唤醒时触发。

• 场景：低功耗物联网设备。平时休眠省电，外部设备发数据过来时，通过此中断唤醒 MCU 进行处理。

三、结果展示